手作り酸素センサを利用した自然探求型の教材開発と展開研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14022254
• 研究機関: 東京工業高等専門学校
• 研究代表者: 高橋 三男 東京工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (40197182)
• 研究分担者: 柚賀 正光 東京工業高等専門学校, 電子工学科, 教授 (40123997) ; 筒井 健太郎 東京工業高等専門学校, 機械工学科, 助教授 (60249761) ; 平田 房雄 東京工業高等専門学校, 物質工学科, 助手 ; 川島 徳道 桐蔭横浜大学, 医用工学科, 教授 (90112888) ; 仁木 輝緒 拓殖大学, 工学部, 教授 (90125336)
• キーワード: 理科教育 / 手作り酸素センサ / 理科教材 / ガルバニ電池式センサ / 酸化反応 / 計測 / 酸素 / 消炎反応

研究概要

(1)「探求1-手作り酸素センサ」:酸素センサ
酸素センサの原理は、隔膜ガルバニ電池方式によって作成する。金の平板電極(直径5mm)と鉛電極をプラスチック樹脂に埋め込んだものを用意し、電解溶液は、安全性の面を考慮して、重曹(0.1M NaHCO_3)と洗濯糊(ポリビニルアルコール10%水溶液)の混合液を使用した。酸素透過膜には、簡単に手に入れることができるポリエチレン製の膜を利用した。金電極上での酸素の還元と、対極側での金属酸化反応により発生することから、酸素の濃度(分圧)に比例した電流が得られる。
酸素の還元と鉛の酸化は、次式で表される。
金電極(酸素の還元)O_2+2H_2O+4e^-→4OH^-対極(鉛の酸化)2Pb+4OH^-→2Pb(OH)_2+4e^-
金と鉛の電極を1kΩの固定抵抗でつなぎ、発生する電流を電圧に変換し、大気中の酸素濃度を求める場合、空気中の出力電圧を空気中の酸素濃度(20.9%)として検定する。溶液中の酸素濃度を求める場合、ビーカー500mLにイオン交換水を入れエアーポンプでバブリングし、25℃の時の飽和溶存酸素濃度を8.11mg/Lとして検定する。濃度表示にはテスターで酸素電極の端子に接続するのが便利である。今回、マイクロニクス社との共同研究により、高精度で低価格のテスターDMD241を使い誰もが簡単にデータをパソコンで取り込みエクセルでデータ処理できるようにした。同時にコンピュータ操作と計測教育も兼ねて行うことができる。この酸素センサは、簡単に作製することででき、感度も高く、応答性の面でも優れ、センサとしての寿命も長く、センサが劣化しても鉛極を紙ヤスリで磨くと簡単に再生することができるよう工夫した。また、センサの出力電圧をオペアンプの作製により増幅したり、基本的な回路制作の一環として、検出部分を手作り酸素センサを用いることで教材を展開することも可能である。下記の教材を開発した。
(II)「探求2-ロウソクの消炎」:消炎反応,(III)「探求3-使い捨てカイロ」:酸化反応
(IV)「探求4-キュウリでビタミンCセンサ」:野菜を使ったバイオセンサ

研究成果

• [文献書誌] 高橋三男, 筒井健太郎, 石地徹, 川島徳道: "手作り酸素センサによるモニタリングに関する教材開発(2)"日本化学会第82秋年会(2002)講演予稿集. 82. 264 (2002)
• [文献書誌] M.Takahashi, N.Kawashima, T.Ishiji: "TEACHING TOOLS FOR SCIENCE EDUCATION USING HANDMADE OXYGEN SENSOR"9^<th> International Meeting on Chemical Sensors ABSTRACT BOOK. 9. 328 (2002)
• [文献書誌] 野中智彦, 岡本大地, 高橋三男: "手作り酸素センサによるジャガイモと過酸化水素反応のモニタリングに関する研究"第5回化学工学会学生発表会研究発表講演要旨集. 5. 67 (2003)
• [文献書誌] 酒井久美子, 木村翔, 高橋三男: "手作り酸素センサによるキュウリとビタミンC反応のモニタリングに関する研究"第5回化学工学会学生発表会研究発表講演要旨集. 5. 68 (2003)
• [文献書誌] 高橋三男, 木下隼人, 正木進一朗, 川島徳道: "手作り酸素センサによる使い捨てカイロのモニタリングに関する研究"日本化学会第83春季年会2003年講演予稿集I. 83. 642 (2003)
• [文献書誌] 高橋三男, 平田房雄, 筒井健太郎, 柚賀正光, 仁木輝緒, 川島徳道: "手作り酸素センサを利用した自然探求型の教材開発と展開研究"文部科学省科学研究費補助金「特定領域研究」(平成14〜18年度)「新世紀型理数科系教育の展開研究」平成14年度研究成果報告書. 63-64 (2003)